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三分钟了解第三代半导体材料:碳化硅(SiC)
发布时间:2020-10-14 20:37    文章作者:立博官网

  半导体材料经过几十年的发展,第一代硅材料半导体已经接近完美晶体,对于硅材料的研究也非常透彻。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新,正在逐渐接近硅材料的极限,基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性,为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。

  SiC是由硅(Si)和碳(C)组成的化合物半导体材料。其结合力非常强,在热、化学、机械方面都非常稳定。SiC存在各种多型体(多晶型体),它们的物理特性值各有不同。4H-SiC最适用于功率元器件。下表为Si和近几年经常听到的半导体材料的比较。

  以SiC为代表的第三代半导体大功率电力电子器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表,也是目前晶体生产技术和器件制造水平最成熟,应用最广泛的宽禁带半导体材料之一,目前在已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗,因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。

  采用碳化硅作为衬底的LED期间亮度更高、能耗更低寿命更长、单位芯片面积更小,在大功率LED方面具有非常大的优势。

  在5千伏以上的高压应用领域,半导体碳化硅功率器件在开关损耗与浪涌电压上均有应用,最大可减少 92%的开关损耗,半导体碳化硅功率器件功耗降低效果明显,设备的发热量大幅减少,使得设备的冷却机构进一步简化,设备体积小型化,大大减少散热用金属材料的消耗。

  新能源汽车产业要求逆变器(即马达驱动)的半导体功率模块,在处理高强度电流时,具有远超出普通工业用途逆变器的可靠性;在大电流功率模块中,具有更好的散热性,高效、快速、耐高温、可靠性高的半导体碳化硅模块完全符合新能源汽车要求。

  半导体碳化硅功率模块小型化的特点可大幅削减新能源汽车的电力损失,使其在200℃高温下仍能正常工作。更轻、更小的设备重量减少,减少汽车自身重量带来的能耗。

  半导体碳化硅材料除了在新能源汽车节能中占有重要地位外,在高铁、太阳能光伏、风能、电力输送、UPS不间断电源等电力电子领域均起到了卓越的节能环保作用。

  将笔记本电脑适配器的体积减少80%,将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小。这也是碳化硅半导体令人期待的一个方。

  随着国家对第三代半导体材料的重视,近年来,我国半导体材料市场发展迅速。其中以碳化硅为主的材料备受关注。尽管如此,但产业难题仍待解决,如我国材料的制造工艺和质量并未达到世界前列,材料制造设备依赖于进口严重,碳化硅器件方面产业链尚未形成等,这些问题需逐步解决,方可让国产半导体材料屹立于世界前列。


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